Giáo trình Mô đun: Hệ thống PLC (Mã mô đun: AUTM64116) – Trường Cao đẳng Dầu khí

Tổng quan về giáo trình

Giáo trình Mô đun: Hệ thống PLC (Mã mô đun: AUTM64116) được biên soạn theo Quyết định số 215/QĐ-CĐDK ngày 01 tháng 03 năm 2022 của Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Dầu khí (thuộc Tập đoàn Dầu khí Việt Nam). Tài liệu do tập thể giảng viên Bộ môn Tự động hóa thực hiện, gồm ThS. Bùi Minh Thảo (Chủ biên) cùng các tác giả Nguyễn Thái Bảo và Ngô Chí Tùng, phát hành chính thức vào tháng 06 năm 2022 tại Bà Rịa - Vũng Tàu theo hình thức lưu hành nội bộ phục vụ đào tạo.

Trong khung chương trình đào tạo trình độ Cao đẳng nghề Điện công nghiệp và nghề Sửa chữa thiết bị tự động hóa (SCTBTĐH), mô đun PLC có vị trí là môn học cơ sở ngành bắt buộc. Mô đun có tổng thời lượng 75 giờ (tương đương 3 tín chỉ), bao gồm 14 giờ lý thuyết, 57 giờ thực hành/thí nghiệm/thảo luận và 4 giờ kiểm tra đánh giá.

Mục tiêu học tập của giáo trình được xác định rõ qua ba nhóm chuẩn đầu ra:

  • Về kiến thức (A1 - A3): Trình bày nguyên lý cấu tạo, sơ đồ khối phần cứng của bộ điều khiển khả trình PLC; phân tích nguyên lý điều khiển tự động hóa công nghiệp; nhận biết và lựa chọn các thiết bị ngoại vi phù hợp với cấu hình hệ thống PLC.
  • Về kỹ năng (B1 - B5): Phân tích hệ thống điều khiển; thực hiện đấu nối phần cứng PLC với thiết bị ngoại vi; cấu hình phần cứng trên phần mềm chuyên dụng; lập trình điều khiển logic; vận hành các phần mềm mô phỏng và nạp chương trình.
  • Về năng lực tự chủ và trách nhiệm (C1 - C3): Rèn luyện tính trung thực, cẩn thận, ý thức tuân thủ an toàn điện công nghiệp (nguồn 5V, 12V–24V, 120V–230V), kỹ năng làm việc nhóm từ 8–10 sinh viên và bảo quản thiết bị xưởng thực hành.

Cấu trúc giáo trình gồm 4 bài học chính, thiết kế theo hướng tích hợp lý thuyết với bài tập thực hành ứng dụng, lấy dòng PLC Siemens S7-300 làm đối tượng giảng dạy trọng tâm.

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương và chủ đề chính

Giáo trình phân bổ kiến thức theo trình tự logic từ tổng quan phần cứng đến cú pháp lệnh và ứng dụng điều khiển thực tế qua 4 bài học:

  • Bài 1: Giới thiệu chung về PLC (3 giờ LT): Trình bày lịch sử hình thành thiết bị điều khiển khả trình từ năm 1968–1969 nhằm thay thế tủ điều khiển rơ-le cồng kềnh; định nghĩa PLC; phân tích đặc tính các họ PLC Siemens: dòng sơ cấp Logo, dòng trung cấp S7-200, dòng tích hợp S7-1200 và dòng hiệu năng cao S7-300/S7-400; liệt kê các lĩnh vực ứng dụng công nghiệp như dây chuyền đóng gói, lắp ráp ô tô, xử lý hóa học, sản xuất xi măng và điều khiển trạm bơm.
  • Bài 2: Cấu trúc của PLC (15 giờ: 5 LT - 10 TH): Phân tích sơ đồ khối phần cứng PLC S7-300; mô-đun nguồn PS307 (24VDC, 2A/5A/10A); các dòng mô-đun CPU (312IFM, 314C, 315-2DP, 318-2); mô-đun ghép nối mở rộng Interface Module IM360/IM361/IM365; mô-đun tín hiệu vào/ra số và tương tự (SM321, SM322, SM323, SM331, SM332, SM334); mô-đun chức năng Function Module (FM350 đếm xung, FM351/353/354/357-2 định vị, FM352 cam điện tử, FM355 điều khiển vòng kín); quy tắc lắp đặt tối đa 8 mô-đun trên một thanh rây (rack); quy tắc phân bổ slot và định địa chỉ ngõ vào/ra số (Ix.y, Qx.y), địa chỉ analog (PIW, PQW), địa chỉ vùng nhớ cờ (Mx.y); cấu trúc mạng truyền thông MPI và Profibus-DP.
  • Bài 3: Lập trình PLC (27 giờ: 6 LT - 19 TH - 2 KT): Hướng dẫn vận hành phần mềm Simatic Step 7 V5.5; các bước tạo project, khai báo phần cứng trạm phần cứng PLC S7-300 và liên kết màn hình HMI qua mạng LAN; định dạng dữ liệu (Boolean 1 bit, Byte 8 bit, Word 16 bit, Int 16 bit từ -32767 đến +32767, Double Word 32 bit); cấu trúc bộ nhớ CPU gồm khối tổ chức OB (OB1), khối hàm chức năng FB, khối hàm FC, khối dữ liệu DB và miền dữ liệu địa phương L; chu kỳ quét chương trình (Scan cycle); phương pháp lập trình tuyến tính và lập trình có cấu trúc; hệ thống tập lệnh chi tiết:
    • Lệnh bit logic: Tiếp điểm thường đóng, thường mở, cuộn dây ngõ ra, lệnh đảo NOT, lệnh kích giữ Set (S) và Reset (R), khối chốt RS, lệnh phát hiện cạnh xung vi phân POS, NEG, P, N.
    • Lệnh Timer: Bộ định thời S_PULSE (tạo xung), S_PEXT (tạo xung có nhớ), S_ODT (trễ bật không nhớ), S_ODTS (trễ bật có nhớ), S_OFFDT (trễ tắt) theo định dạng thời gian S5T#aH_bM_cS_dMS và lưu giá trị đếm dạng Integer (BI) hoặc BCD.
    • Lệnh Counter: Đếm lên (UP), đếm xuống (DOWN), đếm phối hợp (UP_DOWN).
    • Lệnh so sánh và số học: So sánh số nguyên Integer (==I, <>I, >I, <I, >=I, <=I); lệnh số học cộng (ADD_I), trừ (SUB_I), nhân (MUL_I), chia lấy phần nguyên (DIV_I) và chia lấy phần dư.
  • Bài 4: Ứng dụng PLC điều khiển hệ thống (30 giờ: 28 TH - 2 KT): Triển khai hai bài toán điều khiển kỹ thuật:
    • Hệ thống điều khiển đèn giao thông: Lập bảng định địa chỉ các ngõ vào/ra, thiết lập giản đồ thời gian, lập trình đồ họa và chấm điểm theo tiêu chí kỹ thuật.
    • Hệ thống điều khiển khí nén: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của xy lanh tác động kép, cơ cấu chấp hành chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay, van điện từ 3/2 và 5/2 (dạng duy trì và không duy trì); xây dựng sơ đồ hành trình bước và mạch khí nén cho mô hình in nhãn bán tự động và mô hình khoan lỗ chi tiết bán tự động.

Kiến thức nền tảng được xây dựng

Giáo trình trang bị hệ thống lý thuyết nền tảng về điều khiển logic tuần tự và xử lý tín hiệu gián đoạn/tương tự trong công nghiệp:

  • Lý thuyết vòng quét chu kỳ (Scan Cycle): Cơ chế đọc dữ liệu từ ngõ vào số (Process Image Input - I), thực thi tuần tự các câu lệnh trong khối OB1, và cập nhật trạng thái ra ngõ ra số (Process Image Output - Q).
  • Nguyên lý cấu trúc phần cứng dạng mô-đun: Nguyên tắc ghép nối bus nội bộ giữa CPU, mô-đun nguồn PS, các mô-đun tín hiệu SM, mô-đun chức năng FM và mô-đun truyền thông CP thông qua thanh rack cơ khí và bộ ghép nối IM360/IM361.
  • Cơ chế xử lý tín hiệu Analog: Ánh xạ dữ liệu từ mô-đun chuyển đổi tương tự/số SM331 (độ phân giải 12-bit, 16-bit) vào thanh ghi ngõ vào ngoại vi (PIW) và xuất tín hiệu điều khiển ra mô-đun SM332 qua thanh ghi ngõ ra ngoại vi (PQW).

Kỹ năng phát triển

Thông qua 57 giờ thực hành và bài tập ứng dụng, người học hình thành các kỹ năng chuyên môn:

  • Kỹ năng kỹ thuật (Technical Skills): Đấu nối dây tín hiệu từ nút nhấn, cảm biến, van điện từ 24VDC, rơ-le và động cơ vào các cổng I/O của PLC; sử dụng kìm tuốt dây, đồng hồ đo vạn năng VOM để kiểm tra mạch; cài đặt cấu hình phần cứng trạm và cấu hình địa chỉ trạm mạng HMI trên Simatic Step 7 V5.5.
  • Kỹ năng phân tích (Analytical Skills): Phân tích bài toán công nghệ; xây dựng bảng quy hoạch địa chỉ I/O; vẽ đồ thị thời gian của các cổng logic; lập sơ đồ hành trình bước cho chu trình khí nén nhiều xy lanh.
  • Kỹ năng vận hành thực tế (Practical Competencies): Viết chương trình điều khiển dạng tiếp điểm (LAD); nạp chương trình vào CPU PLC S7-300; giám sát và chẩn đoán lỗi phần cứng/phần mềm bằng công cụ mô phỏng PLCSIM.

Phương pháp giảng dạy và học tập

Giáo trình áp dụng mô hình giảng dạy tích hợp giữa lý thuyết chuyên môn và thực hành thao tác tại xưởng thực hành điện - điện tử và phòng tích hợp PLC.

  • Đối với giảng viên: Áp dụng phương pháp dạy học tích cực (diễn giảng, vấn đáp, dạy học giải quyết vấn đề); thiết kế giáo án tích hợp theo từng bài hoặc buổi giảng; phân chia ca thực hành; thiết kế hệ thống phiếu học tập, phiếu đánh giá kỹ năng thực hành và bảng thang điểm chi tiết.
  • Đối với người học: Nghiên cứu bài học và tài liệu tham khảo trước khi lên lớp; tham gia tối thiểu 70% thời lượng các buổi giảng lý thuyết; tổ chức tự học và thảo luận nhóm (mỗi nhóm từ 8 đến 10 sinh viên, được giao chủ đề thảo luận trước giờ học và phân công từng cá nhân chịu trách nhiệm nội dung cụ thể).
  • Hệ thống bài tập và thực hành:
    • Thực hành cấu hình phần cứng cho 4 trạm PLC S7-300 và 2 màn hình HMI liên kết mạng LAN.
    • Viết chương trình điều khiển mạch khởi động động cơ theo phương pháp sao - tam giác.
    • Lập trình hệ thống băng tải đếm sản phẩm (chu kỳ lặp lại 10 sản phẩm sử dụng lệnh Counter và Timer).
    • Lập trình hệ thống điều khiển đèn giao thông ngã tư.
    • Lập trình hệ thống khí nén in nhãn chi tiết bán tự động và khoan lỗ bán tự động.
  • Phương pháp kiểm tra và đánh giá kết quả:
Hình thức đánh giá Số lượng Nội dung kiểm tra Chuẩn đầu ra Thời gian làm bài
Kiểm tra thường xuyên 02 Vấn đáp, kiểm tra viết, thao tác bài tập thực hành A1, A2, B1, C1 $\le$ 30 phút
Kiểm tra định kỳ số 1 01 Lý thuyết: Bài 1, Bài 2, Bài 3, Bài 4 (Trắc nghiệm/Viết) A1, A2, A3, B1, B3, B4, B5, C1 45 ÷ 60 phút
Kiểm tra định kỳ số 2 01 Thực hành: Bài 3, Bài 4 (Đấu nối, lập trình điều khiển) A2, A3, B1, B3, B4, B5, C1, C2, C3 45 ÷ 60 phút
Kiểm tra định kỳ số 3 01 Thực hành: Bài 5 / Ứng dụng hệ thống PLC và khí nén A2, A3, B1, B3, B4, B5, C1, C2, C3 60 ÷ 120 phút
Thi kết thúc mô đun 02 phần - Lý thuyết: Trắc nghiệm tổng hợp
- Thực hành: Tổng hợp kỹ năng lập trình & đấu nối		 A1 ÷ A3
B1 ÷ B5
C1 ÷ C3		 - Lý thuyết: 45 ÷ 60 phút
- Thực hành: 60 ÷ 120 phút

Điểm nổi bật và cập nhật

  • Cơ sở pháp lý và chuẩn hóa chương trình: Giáo trình được ban hành năm 2022 theo Quyết định 215/QĐ-CĐDK của Trường Cao đẳng Dầu khí, chuẩn hóa theo danh mục môn học nghề Điện công nghiệp và nghề Sửa chữa thiết bị tự động hóa.
  • Tích hợp truyền thông công nghiệp và giao diện HMI: Nội dung đào tạo không dừng lại ở việc lập trình đơn trạm độc lập mà mở rộng sang cấu trúc mạng phân tán, cấu hình địa chỉ IP cho 4 trạm PLC S7-300 liên kết qua mạng LAN, kết nối giao tiếp màn hình HMI, chuẩn giao tiếp MPI (187.5 kbps đến 12 Mbps) và mạng Profibus-DP (tốc độ truyền dữ liệu lên đến 12 Mbps).
  • Gắn kết điều khiển điện với truyền động khí nén: Giáo trình kết hợp lập trình logic PLC với hệ thống thiết bị chấp hành cơ điện - khí nén thực tế (xy lanh tác động kép, van đảo chiều 3/2, 5/2 điều khiển điện từ dạng cuộn hút đơn và cuộn hút kép), giải quyết các bài toán sản xuất tự động như in nhãn chi tiết và khoan lỗ tự động theo sơ đồ hành trình bước.

Đối tượng sử dụng giáo trình

  • Sinh viên chuyên ngành: Sinh viên hệ Cao đẳng nghề Điện công nghiệp (Mã nghề: II.2, mô đun STT 19) và sinh viên nghề Sửa chữa thiết bị tự động hóa (SCTBTĐH) tại Trường Cao đẳng Dầu khí và các cơ sở giáo dục nghề nghiệp tương đương.
  • Điều kiện tiên quyết (Prerequisites): Người học cần hoàn thành các môn học cơ sở trước khi học mô đun này:
    • Mạch điện (Mã môn: ELEI53132 - 3 tín chỉ)
    • Vẽ điện (Mã môn: ELET51165 - 1 tín chỉ)
    • Vật liệu điện (Mã môn: ELET62064 - 2 tín chỉ)
    • Khí cụ điện (Mã môn: ELEI53117 - 3 tín chỉ)
    • Điện tử cơ bản (Mã môn: AUTM62103 - 2 tín chỉ)
    • Điều khiển điện khí nén (Mã môn: AUTM63114 - 3 tín chỉ)
    • Kiến thức nền tảng về Kỹ thuật số.
  • Giảng viên và cán bộ hướng dẫn: Dùng làm tài liệu giảng dạy chuẩn để biên soạn giáo án lý thuyết, giáo án thực hành, thiết kế phiếu học tập, phiếu đánh giá kỹ năng thực hành và đề thi định kỳ/kết thúc mô đun.
  • Kỹ thuật viên tự học và tham khảo: Cung cấp tài liệu tra cứu mã lệnh Simatic Step 7, cấu hình phần cứng S7-300 và kỹ thuật ghép nối ngoại vi cho kỹ sư, kỹ thuật viên vận hành hệ thống tự động hóa xí nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này phù hợp với đối tượng nào?

Giáo trình được thiết kế cho sinh viên trình độ Cao đẳng nghề Điện công nghiệp và nghề Sửa chữa thiết bị tự động hóa, đồng thời dùng làm tài liệu tham khảo cho kỹ thuật viên bảo dưỡng thiết bị điều khiển logic trong nhà máy.

2. Cần chuẩn bị những kiến thức nền tảng nào trước khi học mô đun này?

Sinh viên cần tích lũy kiến thức từ các môn học tiên quyết gồm: Điện tử cơ bản (AUTM62103), Mạch điện (ELEI53132), Khí cụ điện (ELEI53117), Điều khiển điện khí nén (AUTM63114) và lý thuyết mạch số logic.

3. Giáo trình tập trung vào dòng PLC và phần mềm nào?

Tài liệu lấy phần cứng dòng PLC Siemens S7-300 (với các CPU 312IFM, 314C, 315-2DP, 318-2, các mô-đun SM, FM, IM) làm đối tượng thực hành trọng tâm, lập trình và cấu hình phần cứng trên phần mềm Simatic Step 7 V5.5 và phần mềm mô phỏng PLCSIM.

4. Quy định về điều kiện dự thi và đánh giá kết quả mô đun như thế nào?

Sinh viên phải tham dự tối thiểu 70% số tiết lý thuyết (vắng quá 30% phải học lại); hoàn thành 02 bài kiểm tra thường xuyên, 03 bài kiểm tra định kỳ (01 lý thuyết, 02 thực hành); bài thi kết thúc môn gồm phần thi trắc nghiệm (45–60 phút) và thực hành (60–120 phút).

5. Có những tài liệu tham khảo nào được khuyến nghị kèm theo giáo trình?

Giáo trình trích dẫn 3 tài liệu tham khảo chính:

  1. Trần Thế San, Nguyễn Ngọc Phương, Thiết kế mạch và lập trình PLC, NXB Khoa học và kỹ thuật, 2016.
  2. Nguyễn Văn Khang, Bộ điều khiển logic khả trình PLC và ứng dụng, NXB Bách Khoa Hà Nội, 2016.
  3. NCCER, Module PLC - Instrumentation Level 4, Third Edition, NXB Pearson (Mỹ), 2016.

Kết luận

Giáo trình Mô đun: Hệ thống PLC (AUTM64116) của Trường Cao đẳng Dầu khí hệ thống hóa toàn bộ kiến thức kỹ thuật về cấu trúc phần cứng, nguyên lý ghép nối bus, phân vùng bộ nhớ CPU, cú pháp câu lệnh Step 7 và phương pháp thiết kế hệ thống điều khiển tự động hóa tích hợp khí nén. Lộ trình đào tạo được xây dựng từ nhận diện thiết bị, khai báo trạm phần cứng, lập trình tiếp điểm logic (LAD) đến triển khai bài toán điều khiển dây chuyền sản xuất thực tế. Tài liệu đóng vai trò là học liệu cốt lõi trong chương trình đào tạo nghề Điện công nghiệp và nghề Sửa chữa thiết bị tự động hóa theo chuẩn đào tạo nghề quốc gia.